Characterization Of Process Efficiency Improvement In Laser Additive Manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, has gained a lot of interest in past recent years within various industries, such as medical and aerospace industries. LAM enables fabrication of complex 3D geometries by melting metal powder layer by layer with laser beam. Research in laser additive manufacturing has been focused in development of new materials and new applications in past 10 years. Since this technology is on cutting edge, efficiency of manufacturing process is in center role of research of this industry. Aim of this thesis is to characterize methods for process efficiency improvements in laser additive manufacturing. The aim is also to clarify the effect of process parameters to the stability of the process and in microstructure of manufactured pieces. Experimental tests of this thesis were made with various process parameters and their effect on build pieces has been studied, when additive manufacturing was performed with a modified research machine representing EOSINT M-series and with EOS EOSINT M280. Material used was stainless steel 17-4 PH. Also, some of the methods for process efficiency improvements were tested. Literature review of this thesis presents basics of laser additive manufacturing, methods for improve the process efficiency and laser beam – material- interaction. It was observed that there are only few public studies about process efficiency of laser additive manufacturing of stainless steel. According to literature, it is possible to improve process efficiency with higher power lasers and thicker layer thicknesses. The process efficiency improvement is possible if the effect of process parameter changes in manufactured pieces is known. According to experiments carried out in this thesis, it was concluded that process parameters have major role in single track formation in laser additive manufacturing. Rough estimation equations were created to describe the effect of input parameters to output parameters. The experimental results showed that the WDA (width-depth-area of cross-sections of single track) is correlating exponentially with energy density input. The energy density input is combination of the input parameters of laser power, laser beam spot diameter and scan speed. The use of skin-core technique enables improvement of process efficiency as the core of the part is manufactured with higher laser power and thicker layer thickness and the skin with lower laser power and thinner layer thickness in order to maintain high resolution. In this technique the interface between skin and core must have overlapping in order to achieve full dense parts. It was also noticed in this thesis that keyhole can be formed in LAM process. It was noticed that the threshold intensity value of 106 W/cm2 was exceeded during the tests. This means that in these tests the keyhole formation was possible.

Laseravusteinen lisäävä valmistustekniikka, joka tunnetaan yleisemmin myös 3D-tulostuksena, on yleistynyt viimeisien vuosien aikana huomattavasti muun muassa ilmailu- ja lääketeollisuudessa. Laseravusteisella lisäävällä valmistustekniikalla voidaan valmistaa monimutkaisia kolmiulotteisia kappaleita sulattamalla metallijauhetta kerros kerrokselta lasersäteen avulla. Lisäävän valmistuksen tutkimuksessa on viime vuosina keskitytty voimakkaasti uusien materiaalien kehittämiseen sekä uusien käyttökohteiden selvittämiseen. Koska tämä teknologia on nyt tekemässä läpimurtoa, on valmistusprosessia yritetty kehittää myös nopeammaksi ja tehokkaammaksi. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, miten laseravusteista lisäävää valmistusta voitaisiin tehostaa. Tavoitteena oli myös selvittää, millainen vaikutus prosessiparametrien muutoksilla on valmistusprosessin vakauteen ja valmistetun kappaleen mikrorakenteeseen. Kokeissa varioitiin valmistusparametreja ja niiden vaikutusta syntyneisiin kappaleisiin tutkittiin. Koelaitteistoina käytettiin EOS EOSINT M-sarjan prototyyppi laitetta, sekä EOS EOSINT M280 laitetta. Materiaalina käytettiin 17-4 PH jauhetta, joka on ruostumaton teräsjauhe. Kirjallinen osa esittelee laseravusteisen lisäävän valmistuksen perusteita, käsittelee keinoja tehostaa valmistusprosessia sekä paneutuu lasersäteen ja metallimateriaalin vuorovaikutukseen. Kirjallisuudessa prosessitehokkuutta käsittelevää aineistoa oli niukasti julkaistuna, mutta löydetyissä artikkeleissa prosessitehokkuutta oli yritetty parantaa suurempitehoisilla lasereilla ja paksummalla kerrospaksuudella. Prosessitehokkuuden kasvattaminen edellyttää perustietoja prosessiparametrien vaikutuksesta valmistettavaan kappaleeseen. Kokeellisessa osassa koekappaleita valmistettiin eri prosessiparametreilla ja tutkittiin niiden vaikutusta syntyneiden kappaleiden mikrorakenteisiin. Kokeellisessa osassa selvitettiin käytännön kokeiden avulla kirjallisuudessa esitettyjen prosessitehokkuuden parantamisen keinojen luotettavuutta. Koetulosten perusteella todettiin, että prosessiparametrien muutoksilla on suuri merkitys yksittäisen palon muodostumiseen. Tulosten perusteella määriteltiin yhtälöitä, joiden avulla voidaan karkeasti arvioida sisäänmenoparametrien vaikutusta ulostuloparametreihin. Tulokset osoittivat, että WDA (tunkeuman poikkipinnan pinta-ala) korreloi eksponentiaalisesti prosessiin tuodun energiatiheyden kanssa. Energiatiheys on laskennallinen arvo, joka muodostuu prosessin sisäänmenoparametreista kuten laserteho, kerrospaksuus, skannausnopeus ja skannaustiheys. Kokeet osoittivat, että skin-core tekniikkaa voidaan käyttää prosessin nopeuden kasvattamiseksi. Tällä tekniikalla kappaleen sisäosa valmistetaan suuremmalla laserteholla, sekä paksummalla kerrospaksuudella, kun taas kappaleen pinta ohuemmalla kerrospaksuudella ja pienemmällä laserteholla. Tällä tekniikalla valmistettaessa tulee varmistaa sisäosan ja ulkopinnan välisen rajapinnan yhteenliittyminen, jotta huokosia ei synny kappaleeseen. Tulokset osoittivat, että LAM prosessin aikana on mahdollista muodostua samanlainen avaimenreikä kuin laserhitsauksessa. Lasersäteen intensiteetin raja-arvo avaimenreiän syntymistä varten on 106 W/cm2, joka ylitettiin kokeiden aikana.